自鋰離子電池技術普及以來,出現了各種各樣的電池體系,從實際應用來看,目前電池的負極材料多選擇石墨,而正極材料主流有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元、錳酸鋰等材料。
電動汽車資源網《2018動力電池行業發展年中報告》顯示,按動力電池類型分,2018年前7月裝機的動力電池類型有:三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰等。其中,裝機最多的為三元鋰電池,前7月裝機量為11.44GWh,占總裝機量的59.35%;其次為磷酸鐵鋰電池,前7月裝機量為7.34GWh,占總裝機量的38.07%;錳酸鋰和鈦酸鋰的裝機量均在0.5GWh以下,占比分別為1.93%、0.65%。
三元電池占比擴大,與2018年新版補貼政策傾向于高能量密度的動力電池產品有關。6月12日以后實施的補貼標準,乘用車能量密度105Wh/kg以下無補貼,105-120Wh/kg僅有0.6倍補貼,高于140Wh/kg才能拿到1.1倍補貼;新能源客車135Wh/kg以上才能有1.1倍補貼。
在主流材料中,磷酸鐵鋰的能量密度較低且已接近天花板,錳酸鋰也因能量密度較低應用受限,而鈷酸鋰因其熱穩定性差,不適用于動力電池領域。在技術上,三元電池在能量密度上有天然優勢,盡管當前的技術還存在安全性較差和循環壽命較短等短板,但未來隨著技術繼續進步,安全性問題逐步改善,在其他電池技術未實現重大突破之前,三元目前仍然是動力電池領域最優之選。
高鎳811電池:高能量密度、低成本 成未來趨勢
按照鎳鈷錳的比例,三元可以分為111、523、622、811等,NCM811電池則指三元鋰電池中正極材料的鎳鈷錳比例為8:1:1,也就是我們常說的高鎳電池。鎳主要的作用是提升能量密度,高鎳意味著更高的能量密度以及更低的鈷含量,高鎳811電池既能增加續航又能大幅度降低成本,因而高鎳811的研發成為目前熱點。
當前國內普遍使用的三元鋰電池型號為523(鎳鈷錳比例為5:2:3),其能量密度可以達到160-200Wh/kg,少數企業可以生產NCM622型號電池,可達到230Wh/kg,而NCM811則可以達到280Wh/kg。
《汽車產業中長期發展規劃》中明確規劃,到2020年,動力電池單體能量密度達到300Wh/kg以上,力爭實現350Wh/kg。到2025年,動力電池系統能量密度達到350Wh/kg。
以現有的技術條件,磷酸鐵鋰和NCM622以下的正極材料是很難達到高能量密度的要求。如果要達到300Wh/kg以上的能量密度,縱觀當下,NCM811三元電池成為必然選擇,這也是我國政府和行業鼓勵的方向。
除了政策推動高鎳811電池的發展,鈷成本的上漲也使得企業通過“降鈷增鎳”來緩解成本壓力。原材料鈷的持續吃緊,加上2017年以來其價格不斷上漲,讓電池生產商壓力山大。高鎳811正極材料里面鈷的比例較其他三元材料的鈷比例低,受到鈷價上漲的影響較小,價格也比鈷酸鋰價格低很多。各電池制造商開始將選材重心從鈷轉換到價格較為便宜、性能更為穩定的鎳金屬。
國內外電池廠商爭相布局
受鈷價格上漲帶來的成本壓力和國內補貼新政的雙重刺激,電池企業加快推進量產鈷含量更少的高鎳電池。
據外媒報道,寧德時代表示將于明年推出用于電動汽車的新型低估含量和高能量密度的NCM811電池。目前寧德時代德動力電池電池是NCM523,這意味著正極材料是20%鈷。鈷的稀缺性和高價格是電動汽車大規模生產的一個問題,目前,大眾汽車已與寧德時代簽訂了電池供應協議,隨著寧德時代引入NCM811電池,電池能量密度將進一步增加,預計每千瓦時鈷含量將下降一半以上。
無獨有偶,比亞迪此前表示,預計2019年下半年開始應用三元高鎳811電池。自2017年下半年以來,國內動力電池企業在高鎳811的布局明顯提速。包括比克動力、力神電池、鵬輝能源、億緯鋰能、遠東福斯特在內的諸多動力電池廠家都表示,基本已經完成從產品技術突破到小批量生產再到客戶送樣認證測試的過程,部分企業甚至已實現量產。
今年年初,國軒高科表示,已經開發出三元811材料軟包電芯,能量密度能夠達到302Wh/kg,預計2019年小批量生產供應。
比克電池更是表示,公司的高鎳811電池已成功應用于江淮、上汽大通、北汽新能源、小鵬、云度等品牌車型,車型均已入圍新能源推薦目錄。
相比于國內,國外的松下、LG化學、SKI、三星SDI都已早早地積極備戰高鎳811。目前松下應用在特斯拉Model 3上的21700圓柱型電池,通過改良高鎳正極材料和硅碳負極材料的應用,電池能量密度達到20%的提升。
此前現代發布的Kona EV純電動SUV,其電池由LG化學提供采用NCM811電芯。另一家韓國電池企業SKI也在去年宣布,開始量產NCM811電池,用于能量儲存系統的電池,并在2018年第三季度提供用于電動汽車的電池。而三星SDI主要的戰略合作是寶馬,根據寶馬的規劃,i3要在2018年才會使用NCM622,2012年才會用上NCM811的產品,相對比較保守。
最新消息,LG化學和SKI NCM811電池計劃有所推遲,雖然在批量商業化層面無法大批量供給車企使用,但兩家企業的技術儲備仍不容輕視。
高鎳三元電池在能量密度方面的巨大優勢,使得其在未來幾年內或將成為主流,誰能夠率先抓住先機提前布局,誰就能在未來獲得更多市場。
但三元電池即使擁有能量密度方面的優勢,仍不可避免的是,目前來說,其還存在著安全問題,在高溫的條件下,相對于磷酸鐵鋰材料,三元材料更易燃。僅從鋰離子電池的正極材料特性而言,三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火或發生意外事故,存在的安全風險比較大。因此,三元電池的安全問題仍然是目前需要突破的技術難點。
相應地,這對企業提出了更高的技術要求,研發能力較差的企業終將會被淘汰。現階段中國電池企業仍需要加大科研投入,踏踏實實一步步的跨過技術門檻,突破技術難點,才能站住腳跟。
